“車-貨”耦合的高速貨運動車組動力學性能分析

徐士恒，王勇，石俊杰

(1. 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2. 中車唐山機車車輛有限公司 技術研究中心，河北 唐山 063035)

0 引言

交通運輸和物流業是我國經濟社會發展的基礎性、戰略性和服務性產業。近年來隨著經濟和電子商務的發展，貨物快運市場規模持續快速增長，潛力巨大，然而既有的鐵路快運份額很低[1]，加速鐵路快速貨物運輸發展，不僅可以滿足貨主對高附加值貨物的高時效性要求，更對提高高鐵線路利用率、創造良好的社會效益和經濟效益具有重要意義。在貨車上加裝集裝器的模式在國外已有大量實際應用[2-3]。集裝器具備運輸效率高、容易聯運、對貨物種類要求低的優點，結合高速貨運動車組的快速、平穩性強等特點，勢必成為未來鐵路貨運的主流方式。

在以往的貨車模型中，往往都是將貨物與車體的連接視作剛性連接，忽略了其中的連接關系而考慮成一個整體。在高速運行的貨車模型中，貨物的振動愈發明顯[4]，其與車體的裝載加固關系使車體和貨物的振動特征耦合。貨物與車體的振動相互作用、相互影響，對整車的動力學性能會產生一定的影響。本文對裝載集裝器的高速貨運動車組進行分析，通過SIMPACK動力學仿真軟件建立“車-貨”耦合的高速貨運動車組模型，分析其運動穩定性、運行平穩性及曲線通過性能。對不同運行速度下的車輛系統動力學性能和貨物的振動響應進行校核計算與分析。

1 車-貨耦合的高速貨運動車組特點

一般的多剛體模型，車體與貨物均考慮為一個剛體，忽略了貨物與車體的相互作用，本文基于時速250 km/h以上的貨運動車組模型，結合集裝器的布置和安裝方式，在所建立的多剛體貨運動車組模型基礎上，將每個集裝器均考慮成單獨的剛體，綜合考慮集裝器與車廂的連接，建立更接近實際的考慮集裝器貨物與車體間的裝載加固關系的“車-貨”耦合動力學仿真模型，從而考慮“車-貨”耦合的貨運動車組在不同運行速度下的動力學性能，用動力學評價指標進行分析對比。

2 車-貨耦合的動力學模型

2.1 動力學模型建立

傳統的車輛系統模型是一個復雜的非線性多剛體模型，本文采用了經典的車輛動力學模型[5]，在模型建立中充分考慮了輪軌接觸幾何關系、輪軌相互作用力及懸掛元件特性等非線性因素[6]，保證模型的研究內容符合實際情況。為了更好地模擬貨運動車組的運行性能，建模時考慮了將車輛橫向運動和垂向運動耦合起來的數學模型。多剛體貨運動車組拖車由1個車體、2個構架、4個輪對和8個轉臂組成。各剛體自由度(以軌道為參考坐標系)由表1所示，每節車共50個自由度。

表1 車輛系統自由度

另外，考慮了承載20個集裝器，其結構外形示意圖如圖1所示[7]。集裝器每個自重163 kg，每個載重625 kg，集裝器容積5.8 m3。集裝器沿車體長度方向并排布置，每個集裝器均為6個自由度的剛體，其與車體的緊固裝置由底部的剛性支撐及橫向、縱向的限位抓鉤組成。

圖1 集裝器結構外形示意圖

集裝器與車體固定的限位抓鉤結構示意圖如圖2所示。其安裝和布置方式為每個集裝器的左右兩側各有3個橫向限位抓鉤，具有2 mm的間隙，在模型中以非線性彈簧-阻尼力元模擬，設置較大剛度參數以模擬非線性止檔特性；中間18個集裝器縱向每側有2個抓鉤，和集裝器外壁通過橡膠塊接觸，采用分段線性彈簧-阻尼力元模擬，在小位移范圍內為橡膠塊剛度，之外為大剛度；前后端部2個集裝器內側各有2個抓鉤，連接方式與中間集裝器的縱向抓鉤力元一致，外側抓鉤和集裝器剛性接觸，直接以大剛度力元模擬。

圖2 限位抓鉤結構示意圖

考慮集裝器及貨物與車體連接關系的“車-貨”耦合貨運動車組動力學仿真模型如圖3所示。

圖3 “車-貨”耦合模型

2.2 仿真工況設置

高速貨運動車組的仿真計算工況分為直線工況與曲線工況，對設計時速為250 km/h的動車組在不同速度下的動力學性能進行分析。

工況1：前段直線軌道采用武廣譜為激擾，后段為理想平直的軌道，運行速度為100 km/h～600 km/h，計算車輛蛇行失穩臨界速度。

工況2：全程采用武廣譜的直線軌道和R7000 m半徑曲線軌道，運行速度為100 km/h～400 km/h，計算車輛運行平穩性和曲線通過安全性。

3 動力學性能分析

3.1 運動穩定性

本文用輪對橫向運動的極限環幅值來分析貨運動車組的運動穩定性，當極限環幅值超過1 mm，即判定系統出現蛇行運動失穩。由圖4可見，正常工況下新輪貨運動車組拖車在600 km/h速度范圍內輪對橫移無諧波，在激擾消失后輪對穩定在平衡位置，其臨界速度超過600 km/h，滿足最高運行速度250 km/h的要求，且有較大的安全裕量。

圖4 極限環幅值

3.2 運行平穩性

貨運動車組車輛的運行平穩性數據的采樣、處理和分析方法及平穩性指標計算方法根據《高速動車組整車試驗規范》進行，對單節貨運動車組拖車前后測點的振動響應和平穩性指標進行校核。由于在動車組運行過程中，貨物的振動、沖擊隨著車輛運行速度加快而愈發劇烈，本節對車廂中前、中、后3個集裝器的振動加速度也進行了對比計算分析。由圖5和圖6(本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者)可以看出車輛的運行平穩性指標隨著速度升高呈現增大的趨勢，但在400 km/h的運行速度下，平穩性指標仍然<2.5，為優級。前后端部的集裝器測點橫向振動加速度明顯大于車體地板對應位置測點的結果，垂向振動加速度也比車體地板位置的大，說明在貨運動車組高速運行時考慮集裝器及貨物與車體耦合的動力學模型更趨近實際情況，并可更準確地對所運送貨物的完整性和安全性進行評估。

圖5 車體測點的平穩性指標和振動加速度

圖6 集裝器最大加速度

3.3 曲線通過性能

本節采用脫軌系數、輪重減載率、傾覆系數、輪軸橫向力、輪軌垂向力及磨耗指數等指標，對考慮“車-貨”耦合模型貨運動車組拖車的曲線通過性能進行校核。由圖7結果可見，所計算的速度通過7000 m半徑曲線時貨運動車組拖車的脫軌系數、輪重減載率、傾覆系數、輪軸橫向力等指標均小于規范規定的安全限度，說明時速250 km/h以上貨運動車組可以在7000 m半徑曲線上以400 km/h以內的速度安全運行。

圖7 曲線通過性能

4 結語

在傳統高速貨運動車組多剛體模型的基礎上考慮了集裝器的裝載加固及排列方式，對集裝器及貨物和車輛進行了耦合振動特征動力學建模，并對該“車-貨”耦合模型進行了動力學仿真分析。通過計算可知，“車-貨”耦合的動力學模型更貼近實際情況。動車組拖車的臨界速度在600 km/h以上，滿足最高運行速度為250 km/h的設計要求，并且留有足夠的安全裕量；車體的運行平穩性在400 km/h范圍內都符合標準優級要求，耦合模型下集裝器的橫向、垂向振動加速度總體上比車體大，更符合實際情況，也利于真實評估貨物的完整性和安全性；在曲線通

過安全性方面，在7000 m半徑曲線上和400 km/h運行速度范圍以內，各項評價指標均符合標準規定的安全限度要求，具有良好的曲線通過性能。綜上所述，“車-貨”耦合的高速貨運動車組能夠滿足250 km/h范圍內的安全平穩運行要求。